تكشف انفجارات السوبرنوفا تفاصيل دقيقة عن الطاقة المظلمة والمادة المظلمة

انطباع فني عن نجمين قزم أبيض يندمجان ويخلقان مستعر أعظم من النوع Ia. الائتمان: ESO / L. كالسادا

إن تحليل انفجارات المستعرات الأعظمية التي استمرت لأكثر من عقدين يعزز بشكل مقنع النظريات الكونية الحديثة ويعيد تنشيط الجهود للإجابة على الأسئلة الأساسية.

أجرى علماء الفيزياء الفلكية تحليلًا جديدًا قويًا يضع أكثر الحدود دقة على الإطلاق على تكوين الكون وتطوره. مع هذا التحليل ، الملقب بانثيون + ، يجد علماء الكونيات أنفسهم على مفترق طرق.

يرى Pantheon + بشكل مقنع أن الكون يتكون من حوالي ثلثي الطاقة المظلمة وثلث المادة – في الغالب في شكل مادة مظلمة – ويتوسع بوتيرة متسارعة على مدى المليارات من السنين الماضية. ومع ذلك ، فإن Pantheon + يوطد أيضًا خلافًا كبيرًا حول وتيرة هذا التوسع الذي لم يتم حله بعد.

من خلال وضع النظريات الكونية الحديثة السائدة ، والمعروفة باسم النموذج القياسي لعلم الكونيات ، على أسس إثباتية وإحصائية أكثر ثباتًا ، يغلق Pantheon + الباب أيضًا على الأطر البديلة التي تحسب الطاقة المظلمة و المادة المظلمة. كلاهما يمثل حجر الأساس للنموذج القياسي لعلم الكونيات ولكن لم يتم اكتشافهما بشكل مباشر بعد. هم من بين أكبر الألغاز في النموذج. متابعة لنتائج Pantheon + ، يمكن للباحثين الآن إجراء اختبارات رصد أكثر دقة وصقل التفسيرات للكون الظاهري.

تم ترك G299 من قبل فئة معينة من المستعرات الأعظمية تسمى النوع Ia. الائتمان: NASA / CXC / U.Texas

يقول ديلون بروت ، زميل أينشتاين في مركز الفيزياء الفلكية: “من خلال نتائج Pantheon + هذه ، يمكننا وضع أكثر القيود دقة على ديناميكيات وتاريخ الكون حتى الآن”. هارفارد وسميثسونيان. “لقد قمنا بتمشيط البيانات ويمكننا الآن أن نقول بثقة أكبر من أي وقت مضى كيف تطور الكون على مر العصور وأن أفضل النظريات الحالية للطاقة المظلمة والمادة المظلمة قوية.”

بروت هو المؤلف الرئيسي لسلسلة من الأوراق التي تصف الجديد البانثيون + تحليل، تم نشره بشكل مشترك في 19 أكتوبر في عدد خاص من مجلة الفيزياء الفلكية.

يستند Pantheon + إلى أكبر مجموعة بيانات من نوعها ، تضم أكثر من 1500 انفجار نجمي يُطلق عليها النوع Ia المستعرات الأعظمية. تحدث هذه الانفجارات الساطعة عندما[{” attribute=””>white dwarf stars — remnants of stars like our Sun — accumulate too much mass and undergo a runaway thermonuclear reaction. Because Type Ia supernovae outshine entire galaxies, the stellar detonations can be glimpsed at distances exceeding 10 billion light years, or back through about three-quarters of the universe’s total age. Given that the supernovae blaze with nearly uniform intrinsic brightnesses, scientists can use the explosions’ apparent brightness, which diminishes with distance, along with redshift measurements as markers of time and space. That information, in turn, reveals how fast the universe expands during different epochs, which is then used to test theories of the fundamental components of the universe.

https://www.youtube.com/watch؟v=M40YlHSpt1E

كان الاكتشاف الخارق للنمو المتسارع للكون في عام 1998 بفضل دراسة المستعرات الأعظمية من النوع Ia بهذه الطريقة. يعزو العلماء هذا التوسع إلى طاقة غير مرئية ، وبالتالي يُطلق عليها اسم الطاقة المظلمة المتأصلة في نسيج الكون نفسه. استمرت العقود اللاحقة من العمل في تجميع مجموعات بيانات أكبر من أي وقت مضى ، وكشف عن المستعرات الأعظمية عبر نطاق أوسع من المكان والزمان ، وقد جمعها Pantheon + الآن معًا في أقوى تحليل إحصائيًا حتى الآن.

يقول آدم ريس ، أحد الفائزين بجائزة نوبل لعام 2011 في الفيزياء لاكتشاف التوسع المتسارع للكون وأستاذ بلومبرج المتميز في جامعة جونز هوبكنز (JHU) و معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور بولاية ماريلاند. ريس هو أيضًا خريج جامعة هارفارد ، ويحمل درجة الدكتوراه في الفيزياء الفلكية.

تعود مسيرة بروت المهنية في علم الكونيات إلى سنوات دراسته الجامعية في جامعة جونز هوبكنز ، حيث تلقى تعليمه ونصحه من قبل ريس. هناك عمل بروت مع دان سكولنيك ، طالب الدكتوراه آنذاك ومستشار ريس ، وهو الآن أستاذ مساعد للفيزياء في جامعة ديوك ومؤلف مشارك آخر في سلسلة الأوراق الجديدة.

منذ عدة سنوات ، طور سكولنيك تحليل البانتيون الأصلي لحوالي 1000 مستعر أعظم.

الآن ، أضاف Brout و Scolnic وفريقهم الجديد Pantheon + حوالي 50 بالمائة أكثر من نقاط بيانات المستعرات الأعظمية في Pantheon + ، إلى جانب التحسينات في تقنيات التحليل ومعالجة مصادر الخطأ المحتملة ، والتي أسفرت في النهاية عن ضعف دقة البانثيون الأصلي.

يقول بروت: “لم تكن هذه القفزة في جودة مجموعة البيانات وفهمنا للفيزياء التي تدعمها ممكنة بدون فريق ممتاز من الطلاب والمتعاونين الذين يعملون بجد لتحسين كل جانب من جوانب التحليل”.

بالنظر إلى البيانات ككل ، يرى التحليل الجديد أن 66.2٪ من الكون يظهر على شكل طاقة مظلمة ، بينما 33.8٪ المتبقية عبارة عن مزيج من المادة والمادة المظلمة. للوصول إلى فهم أكثر شمولاً للمكونات المكونة للكون في عصور مختلفة ، قام Brout وزملاؤه بدمج Pantheon + مع مقاييس أخرى مثبتة بقوة ، ومستقلة ، ومكملة للهيكل الواسع النطاق للكون ومع قياسات من أقرب ضوء في الكون ، الخلفية الكونية الميكروية.

نتيجة رئيسية أخرى لـ Pantheon + تتعلق بأحد الأهداف الرئيسية لعلم الكونيات الحديث: تحديد معدل التوسع الحالي للكون ، والمعروف باسم ثابت هابل. ينتج عن تجميع عينة Pantheon + مع البيانات من SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) ، بقيادة ريس ، القياس المحلي الأكثر صرامة لمعدل التوسع الحالي للكون.

يجد آلانثيون + و SH0ES معًا ثابت هابل يبلغ 73.4 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ مع 1.3 ٪ فقط من عدم اليقين. وبطريقة أخرى ، لكل ميجا فرسخ ، أو 3.26 مليون سنة ضوئية ، يقدر التحليل أنه في الكون القريب ، يتوسع الفضاء نفسه بأكثر من 160 ألف ميل في الساعة.

ومع ذلك ، فإن الملاحظات من حقبة مختلفة تمامًا من تاريخ الكون تتنبأ بقصة مختلفة. تقوم قياسات الضوء الأقدم للكون ، الخلفية الكونية الميكروية ، عند دمجها مع النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات ، بتثبيت ثابت هابل باستمرار بمعدل أقل بكثير من الملاحظات المأخوذة عبر المستعرات الأعظمية من النوع Ia وغيرها من العلامات الفيزيائية الفلكية. هذا التناقض الكبير بين المنهجيتين سمي بتوتر هابل.

تعمل مجموعات بيانات Pantheon + و SH0ES الجديدة على زيادة توتر هابل. في الواقع ، لقد تجاوز التوتر الآن عتبة 5 سيجما المهمة (احتمال ظهور واحد في المليون بسبب الصدفة العشوائية) التي يستخدمها الفيزيائيون للتمييز بين الصدفة الإحصائية المحتملة والشيء الذي يجب فهمه وفقًا لذلك. يسلط الوصول إلى هذا المستوى الإحصائي الجديد الضوء على التحدي الذي يواجهه كل من المنظرين وعلماء الفيزياء الفلكية لمحاولة تفسير تناقض ثابت هابل.

“اعتقدنا أنه سيكون من الممكن العثور على أدلة لحل جديد لهذه المشكلات في مجموعة البيانات الخاصة بنا ، ولكن بدلاً من ذلك وجدنا أن بياناتنا تستبعد العديد من هذه الخيارات وأن التناقضات العميقة تظل مستعصية كما كانت دائمًا” ، كما يقول Brout .

يمكن أن تساعد نتائج Pantheon + في الإشارة إلى مكان حل توتر هابل. يقول بروت: “بدأت العديد من النظريات الحديثة في الإشارة إلى فيزياء جديدة غريبة في بدايات الكون ، ومع ذلك ، فإن مثل هذه النظريات التي لم يتم التحقق منها يجب أن تصمد أمام العملية العلمية ، ولا يزال توتر هابل يمثل تحديًا كبيرًا”.

بشكل عام ، يقدم Pantheon + للعلماء نظرة شاملة إلى الوراء من خلال الكثير من التاريخ الكوني. يلمع المستعر الأعظم الأقدم والأبعد في مجموعة البيانات من 10.7 مليار سنة ضوئية ، أي منذ أن كان الكون ربع عمره الحالي تقريبًا. في تلك الحقبة السابقة ، كانت المادة المظلمة والجاذبية المرتبطة بها تحت السيطرة على معدل تمدد الكون. تغيرت مثل هذه الحالة بشكل كبير خلال عدة مليارات من السنين التالية حيث طغى تأثير الطاقة المظلمة على تأثير المادة المظلمة. منذ ذلك الحين ، دفعت الطاقة المظلمة محتويات الكون بعيدًا عن بعضها البعض وبمعدل متزايد باستمرار.

يقول بروت: “من خلال مجموعة بيانات Pantheon + المدمجة هذه ، نحصل على رؤية دقيقة للكون من الوقت الذي كانت تهيمن فيه المادة المظلمة على الكون الذي هيمنت عليه الطاقة المظلمة”. “تعد مجموعة البيانات هذه فرصة فريدة لرؤية الطاقة المظلمة تعمل ودفع تطور الكون على أعلى المستويات خلال الوقت الحاضر.”

نأمل أن تؤدي دراسة هذا التغيير الآن باستخدام أدلة إحصائية أقوى إلى رؤى جديدة لطبيعة الطاقة المظلمة الغامضة.

يقول بروت: “يمنحنا Pantheon + أفضل فرصة لنا حتى الآن لتقييد الطاقة المظلمة ، وأصولها ، وتطورها”.

المرجع: “البانثيون + التحليل: القيود الكونية” بقلم ديلون بروت ، دان سكولنيك ، برودي بوبوفيتش ، آدم جي ريس ، أنتوني كار ، جو زونتز ، ريك كيسلر ، تمارا إم ديفيز ، صامويل هينتون ، ديفيد جونز ، دبليو دارسي كينورثي ، إريك ر. بيترسون ، خالد سعيد ، جورجي تايلور ، نور علي ، باتريك أرمسترونج ، براناف شارفو ، أريانا دوموه ، كول موللدورف ، أنتونيلا بالميز ، هيلين كو ، بنيامين إم روز ، برونو سانشيز ، كريستوفر دبليو ستابس ، ماريا فينتشنزي ، شارلوت إم وود ، بيتر ج.براون ، ريبيكا تشين ، كين تشامبرز ، ديفيد إيه كولتر ، مي داي ، جورجيوس ديميترياديس ، أليكسي ف.فيليبينكو ، ريان جيه فولي ، سوراب جها ، ليزا كيلسي ، روبرت بي كيرشنر ، أنيس مولر ، جيسي موير ، سيشادري نادثور ، ين تشين بان ، أرمين ريست ، سيزار روجاس برافو ، ماساو ساكو ، ماثيو سيبيرت ، مات سميث ، بنيامين إي ستال وفيل وايزمان ، 19 أكتوبر 2022 ، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04